Wynalazki GIG

Laserowy czujnik drgań i wychyleń

Przy sprawdzaniu stanów granicznych bezpiecznego użytkowania budynków znajdujących się na terenach górniczych istnieje zapotrzebowanie na pomiary wychyleń, deformacji i odkształceń postaciowych, będących następstwem reakcji budynków i konstrukcji inżynierskich na deformacje ciągłe i nieciągłe powierzchni oraz na wstrząsy górnicze i inne oddziaływania środowiska naturalnego, na przykład: klimatyczne, hydrogeologiczne, komunikacyjne itp. 

Często dla poprawnej i całościowej analizy zjawisk konieczne jest spełnienie warunku automatycznego i ciągłego monitoringu tych parametrów, przy zachowaniu odpowiedniej dokładności i precyzji pomiaru. 

Jak wyjaśnia dr Adam Szade z Zakładu Akustyki Technicznej, Techniki Laserowej i Radiometrii Głównego Instytutu Górnictwa, spełnienie tych wymagań możliwe jest przy zastosowaniu laserowych systemów optoelektronicznych. Ich technologia i zasady działania z powodzeniem zostały opracowane w Laboratorium Techniki Laserowej GIG, którego dr Szade jest kierownikiem. Są stosowane w praktyce pomiarowej na wielu obiektach. Opracowane rozwiązania i stosowane metody pomiaru obejmują obok wyznaczania i kontroli pionowości także monitoring niskoczęstotliwościowych drgań i wychyleń konstrukcji i obiektów budowlanych. Stały nadzór prowadzi się na takich obiektach, jak: budynki mieszkalne, budowle zabytkowe, wieże i wysokie kominy, wiadukty, hale przemysłowe, szyby i wieże wyciągowe. 

W skład opracowywanych indywidualnie dla każdego obiektu systemów pomiarowych wchodzą: pionowniki laserowe lub lasery górnicze, laserowe czujniki drgań i wychyleń, przetworniki przemieszczeń, dalmierze laserowe. I tak laser górniczy GL-3BM i jego późniejsze – doskonalsze wersje – pełnią już ćwierć wieku służbę w prowadzeniu wyrobisk korytarzowych, prostoliniowym prowadzeniu ścian, szybików, upadowych, rektyfikacji przenośników i torów kolejki. Obecnie stosowany jest laser EW-3 produkowany w Głównym Instytucie Górnictwa. Jest on o połowę lżejszy od poprzedników, wyjściowa wiązka ma moc 1 mW przy znacznie mniejszej rozbieżności (10 mm na 150 m). Stanowi on też zasadniczą część pionownika laserowego, stosowanego do kontroli obudów szybowych, rektyfikacji prowadników szybowych, czy jak w latach ubiegłych do pionowania drążonych szybów i kontroli pionowości konstrukcji inżynierskich na powierzchni. Obecnie stosowane są lasery zarówno z wiązką laserową o barwie czerwonej (diody laserowe) jak i zielonej (laser krystaliczny Nd:YAG).W najnowszych rozwiązaniach w oparciu o lasery półprzewodnikowe i nowe typy lunet stworzono m.in. system pomiarowy, który w trakcie ciągłej jazdy naczynia wyciągowego automatycznie prowadzi wielopunktowe domiary w odniesieniu do pionu laserowego. 

Jednym z podstawowych urządzeń, opracowanych i wykorzystywanych w GIG do automatycznej kontroli wpływu eksploatacji podziemnej na budynki i budowle inżynieryjne na powierzchni, jest laserowy czujnik drgań i wychyleń. Stosowany jest, gdy zachodzi potrzeba ciągłego monitoringu stabilności i oceny utraty parametrów użytkowych obiektów budowlanych objętych wpływami eksploatacji górniczej, komunikacji drogowej bądź szynowej, wpływami hydrogeologicznymi, atmosferycznymi, eksploatacyjnymi itp. 

Opracowano metodę i towarzyszące jej rozwiązania konstrukcyjne dla ciągłego pomiaru postępujących, okresowych i dynamicznych wychyleń, okresu drgań własnych i dekrementu tłumienia niskoczęstotliwościowych drgań budowli. Stały lub okresowy nadzór prowadzi się na takich obiektach, jak: budynki mieszkalne, budowle zabytkowe, obiekty użyteczności publicznej, wieże i wysokie kominy, wiadukty, hale przemysłowe, szyby i wieże wyciągowe, ale i takie konstrukcje przemysłowe jak suwnice, galerie nawęglania, zasobniki itp.. 

Laserowy czujnik drgań i wychyleń budowli pozwala na dokładny i ciągły pomiar wielkości wychyleń obiektu, zapewniając automatyzację pomiarów geodezyjnych. Wynik w formie graficznego wydruku komputerowego daje pełny obraz zmian zarówno co do wartości wychyleń (w mm wychylenia na każdy metr wysokości [mm/m]) ich kierunków (np. względem stron świata) jak i czasu w którym wystąpiły. 

Zasada pomiaru oparta jest na rejestrowaniu odchylenia wiązki laserowej od jej wyjściowego - pionowego położenia zerowego - po przejściu przez klin cieczowy o odpowiednim współczynniku załamania światła i dekremencie tłumienia drgań własnych , jak to przedstawiono na ilustracji obok. 

Poziom cieczy jest bezwzględnym pomiarowym układem odniesienia, a kąt pomiędzy normalną do powierzchni cieczy, a osią czujnika, jest kątem wychylenia czujnika i obiektu, na którym jest on zainstalowany. Sygnał z każdej części krzemowego fotodetektora wprowadzany jest przy pomocy karty A/D do cyfrowego rejestratora, gdzie następuje analiza i rejestracja sygnału. 

Zastosowane wyposażenie i oprogramowanie umożliwia graficzną wizualizację danych pomiarowych w czasie rzeczywistym na obiekcie, zapis danych na nośnikach, jak i transmisję danych w systemie modułowym GSM lub GSM/GPRS telefonii komórkowej do centralnego komputera. Program stosowany w centrali - przeznaczony jest do wizualizacji przebiegów czasowych rejestrowanych przez wszystkie czujniki. Przeglądarka wyposażona jest w aktywny marker ułatwiający odczyt danych z dowolnej minuty, a także w lupę i opcję zmiany podstawy czasu. Analiza danych pomiarowych, uzyskanych za pomocą czujnika umożliwia: identyfikację czynników wpływających na stabilność obiektu i ocenę ich uciążliwości (m.in. tak jak na ilustracji zmiany wychylenia budynku w kanałach N-S i E-W pod wpływem eksploatacji górniczej pod budynkiem); ustalenie stopnia utraty wartości użytkowych; podjęcie we właściwym czasie decyzji o zastosowaniu odpowiedniej profilaktyki budowlanej czy innych zabezpieczeń. 

Pomiary dynamicznych odpowiedzi budynku na drgania przekazywane przez podłoże na budynek pozwalają - poprzez analizę okresu drgań własnych i charakterystyki tłumienia - na inżynieryjną ocenę stanu konstrukcji. Rysunek przedstawia przebieg czasowy odpowiedzi budynku pobudzonego pojedynczym impulsem, a zmierzony laserowym czujnikiem wychyleń. 

Czujnik drgań i wychyleń, który jest opatentowanym rozwiązaniem Głównego Instytutu Górnictwa nagrodzony został m.in. złotym medalem na 53 Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik EUREKA’2004 w Brukseli. 

Przy pomocy laserowych czujników drgań i wychyleń prowadzono pomiary m.in. na następujacych obiektach: budynki mieszkalne na osiedlach (im. Paderewskiego w Katowicach, Witosa w Katowicach, MSM w Mysłowicach) oraz budynki mieszkalne, szkoły, szpitale w Polkowicach i Rydułtowach (kompletne miejskie systemy monitoringu). W minionych latach onitorowano obiekty zabytkowe i kościoły (zamek w Będzinie, kościół w Bieruniu N., kościół w Rydułtowach, kościół p.w. Niepokalanego Poczęcia NMP w Katowicach), obiekty przemysłowe (wagonownia dworca towarowego Muchowiec w Katowicach, komin ceglany H= 100 m ciepłowni KWK “Katowice”, komin betonowy H= 100 m ciepłowni w Mysłowicach – Wesołej, komin H=200 m Elektrownia “Łaziska”, wieże wyciągowe - KWK „Katowice”, „Makoszowy”, „Wieczorek”, „Piekary”, „Marcel”, „Marklowice”, „Zofiówka”, obmurza szybowe – KWK “Morcinek”, „Piekary”, prasa hydrauliczna kolumnowa – Ekopłyta, Czarnków, galeria nawęglania EC Wrocław i in.

Oprac: Mira Borkiewicz